試論硅材料加工

1、試論硅材料加工外徑滾磨磨定位標(biāo)志切片倒角切頭去尾研磨腐蝕熱處理反面損傷拋光清洗檢驗硅材料加工的根本流程示意12.1切頭去尾目的：利用外圓切割OD機(jī)、帶鋸或內(nèi)圓切割I(lǐng)D機(jī)切去單晶錠的頭尾非等徑局部，以及不符合產(chǎn)品要求的局部；同時切取供檢驗單晶錠參數(shù)的檢驗片，并按規(guī)定長度將晶錠分段。外圓切割機(jī)的刀具是在金屬片的外圓邊鍍上一層金剛石顆粒，在刀片旋轉(zhuǎn)的過程中將晶錠切斷。缺陷是：晶體直徑越大外圓刀片的直徑也越大，刀片厚度也越大，晶體損失也越大。、帶鋸和內(nèi)圓切片的刀具是在其刀刃上鍍上一層金剛石顆粒，用刀具的運(yùn)動進(jìn)行切割。優(yōu)勢：節(jié)省原料。對太陽能電池用單晶硅切頭去尾時要注意切斷面與晶錠軸線盡量垂直，以利于多

2、線切方。切割時必須要用水冷卻，即可帶走熱量又可帶走切屑。 12.2 外徑滾磨生長的單晶直徑一般來說都比需要的加工的晶片大24mm，而且有的單晶特別是晶向生長的單晶，晶棱可能成為一個小面，因此需要對晶體進(jìn)行外徑滾磨，使之成為標(biāo)準(zhǔn)的圓柱體。本卷須知：晶錠一定要固定牢靠，且要對中精確；每次磨去的厚度不要太大。 為了減小損傷層厚度，先用粗顆粒磨輪磨，粒度小于100#，后用細(xì)顆粒磨輪磨粒度介于200#400#。用水冷卻，帶走熱量磨屑。12.3 磨定位面槽用于制作集成電路IC等的硅片，需要磨定位面或定位槽V形槽。用于制作二極管、可控硅及太陽能電池等的硅片，無需有定位面。磨定位面或定位槽是在裝有X射線定向儀

3、的外徑滾磨機(jī)上進(jìn)行的。一般磨兩個面， 一個較寬的面110面，稱為主平面， 作為對硅片定位用；另一個平面較窄，稱為次平面，標(biāo)識晶錠的晶向和型號。對用于太陽能電池的硅單晶不需磨定位面，但需要切方錠。澆鑄的多晶硅錠也需要開方，并去掉不符合使用要求的頂層和底層局部。切方可用帶鋸也可用多線切方機(jī)。 12.4 切片切片就是將晶錠切成規(guī)定厚度的硅片。兩種方式：內(nèi)圓切割和線切割。內(nèi)圓切割：刀片是用不銹鋼制作的，在內(nèi)徑邊沿鍍有金剛石顆粒做成刀刃，將刀刃裝在切片機(jī)的刀座上，施以各向均勻的張力，使刀片平直。將晶錠先用黏結(jié)劑粘在載體上，載體板面具有與晶錠外圓同樣的弧形，然后將載體與晶體一起固定在切片機(jī)上，設(shè)定好片厚度

4、及進(jìn)刀速度后使內(nèi)圓刀片高速旋轉(zhuǎn)，從硅錠一端切出一片硅片，重復(fù)操作，將整支晶錠切出等厚度的硅片。切完后將其取下浸入熱水中，除去黏結(jié)劑。本卷須知：1、調(diào)整好刀片的張力施加張力可用水壓方式和機(jī)械方式兩種。理論上水壓優(yōu)于機(jī)械，但是設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)滲漏和降壓問題而影響張力嗎，一般采用機(jī)械方式。機(jī)械方式采用螺絲固定方式，一般利用測量刀片內(nèi)徑的變化來判斷施加在刀片上的張力是否均衡。摩擦力和熱會影響張力狀況，需及時調(diào)整。2、修整刀片刀片上的金剛石顆粒各方向的磨損不會是均衡的，可能引起非直線切割，對磨損較弱的一方必須用約320粒度的氧化鋁磨棒來進(jìn)行修整。3、保證冷卻水暢通切割處一直要用冷卻水沖淋，冷卻水既可以帶走切

5、屑硅粉又能帶走切割時產(chǎn)生熱量。一般選用自來水。多線切割：自由研磨劑切削方式，機(jī)子使用鋼線由送線輪開始纏繞，再繞過安裝柄桿安裝柄桿上有很多等距離的溝槽，從柄桿出來的線，最終回到回線導(dǎo)輪上。切割時鋼線上噴灑由油劑和碳化硅混合而成的漿料，漿料既是研磨劑又是冷卻劑。張力要適當(dāng) 漿料可以回收經(jīng)處理后再使用，但必須保證漿料的粘稠度、油劑不得變質(zhì)等。漿料中的研磨粉粒度一般用800#，加工直徑300mm的硅片用1500#1800#，硬度高價格不貴。線切割的片厚由安裝柄桿上溝槽的間距決定，其切割速度主要由導(dǎo)線的抽動速度及導(dǎo)線施加于晶錠上的力量決定。 多線切割與內(nèi)圓切割的比較:1.多線切割損耗晶體少2.多線切割的

6、晶片外表損傷層薄。厚片損傷層可通過研磨來消除，但損傷較大；而對薄片來說，研磨的碎片率會很高，損傷很大。3.多線切割片可以直接用來制作太陽能電池、高壓硅堆、二極管等，而無需研磨。內(nèi)圓切割片那么需要研磨后才能使用。4.多線切割片的技術(shù)參數(shù)由于內(nèi)圓切割，有利于加工高質(zhì)量的拋光片。5.多線切割的生產(chǎn)效率高，一次可以切出幾千片，而內(nèi)圓切割只能一片一片地切。6.多線切割機(jī)可以加工直徑200mm以上的晶體，而內(nèi)圓切割只能加工直徑200mm一下的晶體。7.多線切割的鋼線的不良狀態(tài)難以發(fā)現(xiàn)，也無法修整，當(dāng)鋼線內(nèi)部存在0.25m的缺陷時，在加工過程中就極易斷裂，一旦斷裂加工中的晶體全報廢，損傷較大。而內(nèi)圓切割那么

7、可預(yù)先測出刀片的不良狀態(tài)并予以修整。對小直徑晶體而言，內(nèi)圓切割應(yīng)用更廣泛。8.多線切割消耗品的費(fèi)用比內(nèi)圓切割高，大約在兩倍以上?？偟膩碚f加工大直徑的晶體多線切割較好，單位本錢比內(nèi)切割低20%以上，加工小直徑的晶體采用內(nèi)圓切割更有利。 晶片的技術(shù)參數(shù)1、晶片的晶向按照客戶的要求調(diào)整好晶向的偏離度數(shù)。2、晶片的總厚度偏差TTVTTV是指晶圓最大與最小厚度之差。使用多線切割機(jī)切直徑200mm的晶片，TTV可控制在20 m以下。3、翹曲度Warp翹曲度定義為參考平面至晶片中心平面最大距離與最小距離只差。使用多線切割機(jī)切直徑 200mm的晶片，Warp可控制在40 m以內(nèi)。4、彎曲度Bow表征晶片的凹狀

8、或凸?fàn)钭冃纬潭鹊闹笜?biāo)。Bow=(a-b)/2多線切割的彎曲度幾乎為0. 12.5 倒角圓邊切片的硅片具有銳利的邊緣。但是在器件制作過程中，轉(zhuǎn)移和熱過程極易造成晶片崩邊和產(chǎn)生位錯及滑移線等缺陷，崩邊產(chǎn)生的碎晶粒還會劃傷晶片，造成器件制作的高不良率。假設(shè)用以生長外延片，因銳角區(qū)域的生長速率比平面處高，造成邊緣區(qū)域突出。為了改善將銳邊磨成弧形，即對晶圓邊進(jìn)行倒角處理。倒角可用化學(xué)腐蝕及輪磨等方式來實現(xiàn)，因化學(xué)腐蝕控制較難，且易造成環(huán)境污染，一般采用輪磨方式。輪磨的邊緣用圓形和梯形兩種。倒角機(jī)一般是自動化的。倒角機(jī)的磨輪具有與晶片邊緣形狀相同的溝槽，溝槽內(nèi)鑲有金剛石顆粒。晶片被固定在真空吸盤上，磨輪高

9、速旋轉(zhuǎn)，晶片慢速旋轉(zhuǎn)。磨輪對晶片的研磨力是可控的，可使倒角到達(dá)最正確效果。 12.6 研磨切割出的晶片技術(shù)參數(shù)較差，外表的損傷層較厚，達(dá)不到用以制作拋光片和一些元件制作的要求，必須通過研磨來改善晶片的技術(shù)參數(shù)和消除切片的刀痕及損傷層。較常用雙面研磨機(jī)。研磨機(jī)的組成：兩個反向旋轉(zhuǎn)地上下研磨盤；整個置于上下磨盤之間用以承載晶片的載具；用以供給研磨漿料的設(shè)備1.上下研磨盤用球狀石墨鑄鐵制成，140280HB布式硬度，粒徑2050 m，密度為12080顆/ .石墨的顆粒粒度隨縱深而增大，密度那么減小。之所以選用球狀石墨鑄鐵是因為它具有適宜的硬度和耐磨性。太軟，漿料會嵌入磨盤內(nèi)，造成晶片劃傷；太硬，漿料

10、顆粒擠向晶片，造成晶片損傷。研磨盤上具有一些垂直交錯的溝槽。可使研磨漿料分布均勻，也能及時排出磨屑和磨漿。上磨盤的溝槽細(xì)而密是為了減少晶片與研磨盤之間的吸附作用，利于研磨結(jié)束晶片的取出。2. 載具用以承載硅片的載體。人工放置。彈簧鋼制成，晶片安置在載具的圓洞中，直徑略大于晶片直徑。由內(nèi)外環(huán)的齒輪帶動。3. 研磨漿料主要成分：氧化鋁、鋯砂或金剛砂、水及界面濕性懸浮劑。氧化鋁的粒度在610 m，韌性、硬度較碳化硅好，普遍采用。由上磨盤注入。 研磨操作：主要控制磨盤速度與施加于磨盤上的壓力。初始階段，有小慢慢增加，使?jié){料均勻散開，有利于去除鏡片上的突出點(diǎn)。假設(shè)壓力太大力量集中在突出點(diǎn)晶片易破裂。穩(wěn)定

11、狀態(tài)。結(jié)束階段壓力慢慢降低。修整:一、用鑄鐵修整盤對上下磨盤同時進(jìn)行修整，形狀與載具相同。二、上下磨盤直接相互研磨 12.7 腐蝕假設(shè)需拋光加工就需要對研磨片進(jìn)行腐蝕處理。通常采用化學(xué)腐蝕。分為酸腐蝕和堿腐蝕兩種。酸腐蝕：等方向性腐蝕，腐蝕液由不同比例的硝酸、氫氟酸及緩沖液配制而成。硝酸是氧化作用，氫氟酸是溶解二氧化硅，體積比為5:1。緩沖液具有緩沖腐蝕速率的作用，還有改善晶片外表的濕化程度，防止產(chǎn)生不規(guī)那么的腐蝕結(jié)構(gòu)。緩沖液一般采用磷酸或醋酸，醋酸極易揮發(fā)，在腐蝕液中的濃度不易穩(wěn)定，磷酸會降低腐蝕速率。 本卷須知： 1、腐蝕界面層的厚度影響著分子的擴(kuò)散，從而影響腐蝕速率，一般采用晶片旋轉(zhuǎn)及打

12、入氣泡等方式進(jìn)行攪拌，減小反響層厚度。2、腐蝕溫度一般控制在1824,過高的溫度有可能使金屬雜質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入晶片外表。3、腐蝕器件為聚二氟乙烯制成。4、腐蝕完成后，要快速進(jìn)行沖洗，轉(zhuǎn)移時間控制在2s以內(nèi) 堿腐蝕是一種非等方向性的腐蝕，腐蝕速率與晶片的結(jié)晶方向有關(guān)。111晶面具有較小的自由基不易被-OH腐蝕。腐蝕劑為KOH或者NaOH。KOH的濃度控制在30%50%，反響溫度為60120。腐蝕速度隨濃度的增加而增加，到達(dá)最大值后，會隨KOH濃度的增加而減小。濃度較高時，不僅有利于控制腐蝕速率，因黏度較高，也使晶片上比較不易留下斑點(diǎn)。溫度對斑點(diǎn)的產(chǎn)生、金屬雜質(zhì)的污染和腐蝕速率等都有影響。溫度越高，不易

13、留下斑點(diǎn)，但是金屬污染的時機(jī)越大。堿腐蝕與晶片外表的機(jī)械損傷程度有關(guān)，一旦損傷層完全去除，腐蝕速率就會變緩慢。 酸堿腐蝕的比較參數(shù)酸腐蝕堿腐蝕反應(yīng)性質(zhì)放熱吸熱腐蝕方向性無方向性有方向性金屬污染程度腐蝕液純度高，溫度低，污染程度小純度低，溫度高，污染程度大平整度需使用特制片盒裝載晶片并用打入氣泡等方式改變平整度不需要特制載具，晶片不需旋轉(zhuǎn)，不用打入氣泡等就能得到一定的平整度粗糙度較小，與晶片原損傷層程度有關(guān)較大，與晶片原損傷層程度有關(guān)表面殘留微粒難以去除晶片原有的微粒不易吸附微粒較易去除晶片原有的微粒，較易吸附微粒斑點(diǎn)晶片轉(zhuǎn)移時間須小于2s，低電阻率晶片交易產(chǎn)生斑點(diǎn)轉(zhuǎn)移時間須小于4s，與晶片電阻

14、率無關(guān)成本約為堿腐蝕的2倍 12.8 拋光制作集成電路的硅片必須進(jìn)行晶圓外表及邊沿的拋光，拋光采用化學(xué)機(jī)械方式。邊沿拋光的目的是降低邊沿附著微粒的可能性，并使晶片在集成電路制作過程中減少崩邊損壞外表拋光的目的是改善外表的技術(shù)參數(shù)，提高外表性能，以滿足集成電路制作的需要。步驟：粗拋和精拋粗拋的主要作用是為去除磨片的損傷層，去除量為1020 m.精拋的主要作用是改善晶片的粗糙程度，去除量缺乏1m。 12.8.1 邊沿拋光邊沿拋光的形狀有圓形和梯形兩種，一般采用梯形。拋光方式有兩種：一種是將旋轉(zhuǎn)的傾斜的硅片加壓與旋轉(zhuǎn)中的拋光布接觸，拋光布是粘在一圓筒上的，晶圓由吸盤固定，先拋一面再翻轉(zhuǎn)拋另一面。本錢

15、低但可能刮傷拋光布，造成晶圓破裂。另一種是用發(fā)泡固化的聚氨酯制作的兩個拋光輪，其中一個有如干溝槽，溝槽形狀與拋光片邊沿吻合，用該拋光輪拋光上下兩個側(cè)面，用另一個無溝槽的拋光輪拋光中間的平面，拋光液為噴灑方式，用量較大。邊沿拋光后要馬上清洗并進(jìn)行目測，檢查是否有缺口、裂紋、污染物存在。 12.8.2 晶圓外表拋光直徑較小的晶圓采用批次拋光，一次拋假設(shè)干片，2040min；大直徑晶圓采用單片拋光，34min從拋光面數(shù)來分，分為單面拋光和雙面拋光原理：拋光液由含有SiO2微細(xì)顆粒的懸浮硅酸膠及NaOH 組成。由化學(xué)和機(jī)械雙重作用?；瘜W(xué)作用：堿液中氫氧根氧化晶圓外表生成二氧化硅 機(jī)械作用：利用拋光墊、

16、硅酸膠與晶圓的機(jī)械摩擦 去除氧化層及提供腐蝕氧化反響的動力。 最正確狀態(tài)是機(jī)械力和化學(xué)力二者處于平衡狀態(tài)。有蠟拋光和無蠟拋光有蠟拋光就是用熱塑性的蠟將晶圓固定在平坦載具盤上進(jìn)行拋光。具體操作是將一層厚度510 m的蠟均勻涂在高速旋轉(zhuǎn)300400r/min的載具盤上，將蠟加熱到90100軟化，利用真空加壓使晶圓黏在載具盤上。如操作不好將影響拋光片的平整度或外表缺陷拋光后加熱使蠟熔化，用特殊鑷子取下晶片雙面拋光必須采用無蠟黏著方式，采用類似雙面研磨的方式，可改善晶片外表的平整度和彎曲度，得到廣泛關(guān)注。 12.8.3 影響拋光質(zhì)量的幾個因素1、拋光墊作用：能有效地均勻分布拋光液，又能使新拋光液不斷得

17、到補(bǔ)償，并且能順利的排除舊拋光液及反響物。為了維持拋光過程的穩(wěn)定性、均勻性、重復(fù)性，拋光墊材質(zhì)的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)及外表形貌必須維持穩(wěn)定，對材質(zhì)的密度、外表態(tài)、化學(xué)穩(wěn)定性、壓縮性、彈性系數(shù)、硬度、厚度等有很高的要求。拋光墊根本有三種：粗拋、細(xì)拋、精拋墊 聚氨酯固化拋光墊：粗拋用，主要成分發(fā)泡固化聚氨酯，類似海綿的多孔結(jié)構(gòu)。 不織布拋光墊：細(xì)拋用，用聚酯棉絮類纖維經(jīng)針扎工藝形成毛毯結(jié)構(gòu)后，浸入聚合物化學(xué)溶液槽中浸泡，使聚合物浸入毛毯纖維，烘干制成類似絲瓜布的強(qiáng)韌性結(jié)構(gòu)。 絨毛結(jié)構(gòu)拋光墊： 精拋用，根本結(jié)構(gòu)是不織布。中間是聚合物，外表層為多孔絨毛結(jié)構(gòu)，孔洞的作用如同水母一吸一放，拋光墊受壓時拋光液

18、進(jìn)入孔洞；壓力釋放是恢復(fù)原來形狀，將舊的拋光液和反響物排除、補(bǔ)充新的拋光液。絨毛長短與均勻性對拋光特性有影響，較長去除率較低 2、拋光液拋光液中的二氧化硅的粒度、濃度、PH值是影響拋光去除率及品質(zhì)的重要因素。粗拋階段要求去除率較大，故二氧化硅粒度較大7080nm),濃度較高。拋光裝置雖然去除率較高但易產(chǎn)生霧缺陷所以精拋液中的二氧化硅粒度較小3040nm濃度也較低。拋光去除率隨PH值得增加而緩慢增加，但是超過12，去除率反而迅速降低，故一般維持在10.5123、壓力隨著壓力增加去除率增加，但是壓力過大易導(dǎo)致去除率不均勻、增加拋光墊磨損、溫度難以控制，甚至硅片破碎。所以拋光中要注意控制適宜的壓力。

19、4、轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)速度增加轉(zhuǎn)速可增加拋光去除率但會產(chǎn)生局部溫度和拋光液分布不均勻，影響拋光質(zhì)量。轉(zhuǎn)速控制在150300r/min。5、溫度增加溫度可促進(jìn)化學(xué)反響，增加去除率。溫度一般控制在3040。溫度太高會引起拋光液的過度揮發(fā)及快速的化學(xué)反響，從而使拋光液效果不均勻且產(chǎn)生霧缺陷。拋光對技術(shù)要求極高，拋光片的總厚度偏差TTV須控制在2 m以下，外表平整度TIR也需在2 m以下。TIR=a+b(到參考平面的上下距離加和) 12.9 清洗清洗的目的是去除晶圓外表的污染物微粒、金屬雜質(zhì)、有機(jī)物，采用濕式化學(xué)清洗清洗環(huán)境的潔凈度要求特別高，清洗臺局部區(qū)域要求潔凈度為1級空氣中0.1 m 的微粒數(shù)不得多于10個/ 。空氣中揮發(fā)物也需嚴(yán)格控制?；瘜W(xué)品的純度必須是超級純，金屬不純物小于0.1ppb,所含0.2 m 的微粒必須小于200個/ 。